（热能工程专业论文）油页岩循环瓦斯加热新工艺研究.pdf

、j am a s t e r st h e s i si nt h e r m a le n g i n e e r i n g i i i il 1l l li ip il 1lll ll y 1716 2 8 9 t h en e ws t u d yo fo i ls h a l ec y c l eg a sh e a t t e c h n o l o g y b y x i n gk e s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gw e i j u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 电 思。 学位论文作者签名： 卯科 日期：沙呢占3 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 嚼什 签字日期： 硎6 弓d 导师签名：形唧 签字日期：一；。 ， 弋 东北大学硕士论文 摘要 油页岩循环瓦斯加热新工艺研究 摘要 随着国际能源的日趋紧张，国际油价的不断飙升，油页岩作为一种 非常规能源且储量巨大，是石油资源的有益补充和替代，因此目前世界 各国对油页岩的开发和利用高度重视。吉林桦甸油页岩综合开发利用项 目采用全循环工艺是国内首创全新油页岩干馏系统，其中为油页岩干馏 提供热载体的循环瓦斯加热炉是这一干馏系统实现全循环的瓶颈性系 统。 本文依照系统节能及工业生态学理论，首创了一种新的瓦斯加热工 艺。新工艺设置两级加热系统换热式瓦斯加热系统和蓄热式瓦斯加 热系统，采用两级管式金属换热器将瓦斯加热到工艺要求，增加了瓦斯 温度的可调控性，有利于实现高温压传热和系统综合利用程度，尤其是 第二级蓄热式燃烧方式的应用是实现工艺的关键性技术。 鉴于加热炉加热物料( 循环瓦斯) 、燃料( 瓦斯和半焦) 的特殊性， 本文讨论了半焦燃烧特性和燃烧方式、高温瓦斯析碳、换热管的高温硫 化和氧化腐蚀、换热管材质选择等问题，并得出相应的结论，确定了工 艺的可行性。 换热器热工过程对于瓦斯加热温度能否达到工艺要求具有重要影 响。本文对换热器内的传热过程、传热方式及影响传热效果的因素进行 了理论分析，从而得出换热器的综合传热系数、传热面积、热效率、温 度效率之间的关系，为合理的选择瓦斯加热工艺温度，确定传热温压提 供了理论依据。 本文对整个加热炉系统的能量平衡进行了计算，绘制了能流图，为 该瓦斯加热工艺的综合评定及改进措施提供了理论基础。在结构设计上， 本文针对加热物料为瓦斯的特殊性，分析介绍了加热炉结构设计特点， 为瓦斯换热器的设计提供了参考依据。 东北大学硕士论文摘要 本文的工作成果已应用于吉林桦甸油页岩干馏工程项目中，虽然论 文完成本工程尚未投产，但该工程己实现本文设计工艺，属于国际创新 水平。 关键词：油页岩；加热炉；瓦斯；半焦；换热器 一、 东北大学硕士论文 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gt e n s i o ni nt h ei n t e r n a t i o n a le n e r g y , a n dt h es o a r i n g p r i c e so ft h ei n t e r n a t i o n a lo i lp r i c e s ，o i ls h a l ea sn o n - c o n v e n t i o n a le n e r g y w i t hh u g er e s e r v e s ，i sr e g a r d e da sau s e f u lc o m p l e m e n ta n da l t e r n a t i v et o t h eo i lr e s o u r c e s t h e r e f o r e ，a l lc o u n t r i e si nt h ew o r l dp a yh i g ha t t e n t i o nt o t h ed e v e l o p m e n ta n du s eo ft h eo i ls h a l e j il i np r o v i n c eh u ad i a nc i t y c o m p r e h e n s i v ee x p l o i t a t i o n a n du t i l i z a t i o no fo i l s h a l e p r o je c t u s e f u l l c y c l et e c h n o l o g yw h i c hi st h ef i r s tn e wc a r b o n i z et e c h n o l o g yi no u r c o u n t y ，i nw h i c ht h ec y c l eg a sf u r n a c ep r o v i d eh e a tc a r r i e ro fo i l s h a l e c a r b o n i z a t i o ni st h eb o t t l e n e c ki s s u ei nt h es y s t e m t h i sp a p e ri n i t i a t ean e w g a sh e a t i n gt e c h n o l o g yi na c c o r d a n c ew i t ht h e e n e r g ya n d i n d u s t r i a l e c o l o g ys y s t e mt h e o r y t h en e wt e c h n o l o g y s e t t w o s t a g eh e a t i n gs y s t e m h e a te x c h a n g et y p eo fg a sh e a t i n gs y s t e ma n d r e g e n e r a t i v et y p eo fg a sh e a t i n gs y s t e m ，u s et w o s t a g et u b u l a ra n dm e t a l l i c h e a t i n ge x c h a n g e rt o l e tt h eg a sa t t a i nt ot h et e c h n o l o g i c a lr e q u e s t ， a d v a n c e dt h ec o n t r o lo fg a st e m p e r a t u r e ，w h a ti si nf a v o ro fh i g h t e m p e r a t u r ep r e s s u r eh e a tt r a n s f e ra n dt h ed e g r e eo fs y s t e mu t i l i z a t i o n ， e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no fs e c o n d s t a g er e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o ni st h e k e yt e c h n o l o g y w h e r e a st h ep a r t i c u l a r i t yo fm a t e r i e l ( g a s ) ，f u e l ( g a sa n ds e m i - c o k e ) o f f u r n a c e ，t h i sp a p e r d i s c u s s e si s s u e ss u c ha st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d c o m b u s t i o nm e t h o do fs e m i c o k e ，h i g ht e m p e r a t u r eg a ss e p a r a t eo u tc a r b o n ， s u l f u ra n do x y g e n a t i o ne r o d e d o fh e a te x c h a n g et u b e ，m a t e r i a lo fh e a t e x c h a n g et u b ea n ds oo n ，a n dd r a wt h ea p p r o p r i a t ec o n c l u s i o n st od e t e r m i n e t h ef e a s i b i l i t yo ft h et e c h n o l o g y t h e r m a lp r o c e s s e si nt h eh e a te x c h a n g e rh a v ea ni m p o r t a n ti m p a c to n t h eg a st e m p e r a t u r ec a na t t a i nt ot h et e c h n o l o g i c a lr e q u e s to rn o t t h i s p a p e ra n a l y s et h e h e a tt r a n s f e rp r o c e s s ，h e a tt r a n s f e rm e t h o d sa n dt h e v 东北大学硕士论文a b s t r a c t f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h eh e a tt r a n s f e re f f e c t ，s oa st oe l i c i tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ni n t e g r a t e dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，h e a tt r a n s f e ra r e a ，t h e r m a l e f f i c i e n c y ，t e m p e r a t u r ee f f i c i e n c y ，p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e t e r m i n i n g t h eg a st e m p e r a t u r ea n dh e a tp r e s s u r e t h i sp a p e rc a l c u l a t e st h et h e r m a lb a l a n c ea n dd r a we n e r g yf l o wf i go f t h ef u r n a c e s y s t e m ，p r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sf o ra s s e s s m e n ta n d i m p r o v e m e n to ft h ef u r n a c es y s t e m o ns t r u c t u r a ld e s i g n ，t h i sp a p e r a n a l y s e sa n dd e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u r n a c ei na l l u s i o nt ot h e s p e c i f i c i t yo fg a sa sm a t e r i e l t h ep r o d u c t i o no ft h i sp a p e rh a sa p p l i e di nj il i np r o v i n c eh u ad i a n c i t yc o m p r e h e n s i v ee x p l o i t a t i o n a n du t i l i z a t i o no fo i ls h a l e p r o j e c t a l t h o u g h t h e p a p e r h a sf i n i s h e da n dt h e p r o j e c t h a sn o t p u t i n t o p r o d u c t i o n ，b u tt h ep r o je c th a sa d o p tt h i st e c h n o l o g yw h i c hi so nb e h a l f o f t h ei n t e r n a t i o n a li n n o v a t i o nl e v e l k e y w o r d s ：o i ls h a l e ；f u r n a c e ；g a s ；s e m i c o k e ；h e a te x c h a n g e r v i - p 气 东北大学硕士论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 油页岩综合开发利用背景介绍1 1 2 课题来源2 1 3 现有瓦斯加热技术介绍2 1 4 主要研究内容4 第二章新工艺流程简介6 2 1 油页岩全循环干馏工艺流程6 2 2 加热炉工艺简析8 2 2 1 用途8 2 2 2 主要工艺参数8 2 2 3 加热炉方案分析9 2 3 加热炉工艺流程简介1 0 2 4 本章小节1 7 第三章加热炉几个关键问题讨论1 8 3 1 半焦燃烧价值讨论1 8 3 1 1 燃烧半焦必要性1 8 3 1 2 半焦燃烧特性分析1 8 3 2 半焦燃烧方法讨论2 0 3 3 瓦斯析碳问题讨论2 l 3 4 换热管硫腐蚀问题讨论：2 3 3 4 1 管内硫腐蚀2 3 3 4 2 管外硫腐蚀2 3 东北大学硕士论文目录 3 5 换热管材质问题讨论2 4 3 6 换热管加干扰件讨论2 5 3 7 本章小结2 6 第四章换热器热工过程分析2 8 4 1 换热器热工行为2 8 4 2 换热器的热交换分析3 0 4 2 1 对流换热分析3 0 4 2 2 辐射换热分析3 2 4 3 换热器温度效率和热效率3 7 4 4 本章小结一3 9 第五章加热炉热平衡分析4 0 5 1 工艺参数换算4 0 5 1 1 瓦斯参数换算4 0 5 1 2 半焦参数换算4 2 5 2 加热炉燃料参数消耗4 2 5 3 热平衡中各项热量及计算方法4 2 5 4 热平衡表4 5 5 4 1 换热式瓦斯加热系统能量平衡计算4 6 5 4 2 蓄热式瓦斯加热系统能量平衡计算4 7 5 4 3 加热炉能量平衡计算4 7 5 5 加热炉能流图4 8 5 6 本章小结5 0 第六章加热炉结构设计特点介绍5 1 6 1 换热器烟气温度控制措施5 1 6 2 换热器热膨胀解决措旋5 2 6 3 换热器堵塞、清灰解决措施：5 3 6 4 换热器监测措施5 3 6 5 沉降室降灰措施5 4 6 5 本章小结5 4 第七章结论5 5 东北大学硕士论文目录 参考文献一5 7 致谢5 9 一i 东北大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 油页岩综合开发利用背景介绍 长期以来，我国经济可持续发展的焦点之一在能源，能源问题的焦 点在石油，石油的焦点问题在依赖进口。由于自身的石油储量非常有限， 我国从19 9 3 年已经成为石油净进口国，此后，石油进口依存度迅速上升。 在这种情况下，我国的能源需求实际上陷入了一个尴尬的境地，巨大的 东北大学硕士论文第一章绪论 缓解国内石油、电力短缺状况，又能充分发挥国内油页岩资源的潜力， 符合国家可持续发展油气资源战略和节约能源的方针政策，其综合利用 前景广阔，开发价值巨大。【1 】 1 2 课题来源 吉林省桦甸市拥有大量可开采油页岩资源。辽宁成大集团与阜新矿 业集团共同组建了吉林成大弘晟能源有限公司，合作开发桦甸油页岩综 合利用项目。该项目是集油页岩开采、干馏法炼油、发电供热、建材生 产于一体的能源综合开发项目，其中对收油率有决定作用的干馏法采用 由国内外首创的油页岩全循环干馏新工艺技术。 油页岩全循环干馏新工艺是由成大弘晟能源研究院主持，东北大学、 抚顺石油大学、中石油华东设计院及专业设备制造公司联合参加共同研 发的一项全新技术。其中由东北大学热能与环境工程研究所负责研究开 发的新工艺中的重要设备循环瓦斯加热炉能否提供给干馏炉连续、 均衡、稳定的高温瓦斯是油页岩干馏工艺中的关键。国内外许多现有的 干馏工艺弊病就在于此，成为油页岩干馏系统的瓶颈性问题。 油页岩循环瓦斯加热新工艺已获得3 项国家发明专利，笔者有幸参 加了该项目的研发，是发明人员之一。 1 3 现有瓦斯加热技术介绍 目前国内利用瓦斯作为热载体对油页岩进行干馏的瓦斯加热炉基本 有两种，一种是抚顺式蓄热加热炉，一种是巴西的管式加热炉。 抚顺式蓄热加热炉是沿用原冶金行业高炉热风炉结构形式设立的间 歇式加热炉。一般设三台加热炉，交替切换，向干馏炉提供的热瓦斯温 度在5 0 0 。0 7 0 0 c 之间波动，因此只能在干馏炉中增加汽化燃烧反应段 来弥补这一不足，最终结果导致收油率低，干馏炉容易结焦等问题。抚 顺式加热炉热源是在炉内直接燃烧瓦斯，热载体是格子砖，体积庞大， 换热效率差。另外，由于在炉内发生燃烧反应，难免将一部份烟气带入 干馏炉，造成瓦斯体积增大，热值降低。由于上述弊端，制约了抚顺式 蓄热加热炉的应用。 东北大学硕士论文第一章绪论 比较先进的是巴西的管式加热炉，采用了烟气和瓦斯隔离的技术， 瓦斯在管内流动能够稳定均衡连续地向干馏炉提供7 0 0 c 左右的热瓦 斯，但由于全部用瓦斯作为燃料，对挥发份低的油页岩来说，产生的瓦 斯量不能满足干馏热量的需要，为了降低排烟温度，只好增加换热面积， 使得该设备体积庞大、造价昂贵，制约了该炉的使用范围。 图1 1 蓄热式热风炉的一般结构 1 一炉壳；2 一内衬；3 一燃烧器；4 一蓄热室；5 一隔墙；6 一燃烧瓦斯管道；7 一瓦 斯阀；8 一燃烧器；9 一拱项；10 烟道阀；l l 一冷瓦斯管道；12 一冷瓦斯阀；l3 一 热瓦斯管道；1 4 一热瓦斯阀；1 5 一炉箅子及支柱 北大学硕士论文 第一章绪论 燃烧嚣 图1 2 管式加热炉的一般结构 f i g 1 2t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft u b u l a rf u r n a c e 4 主要研究内容 新型管式循环瓦斯加热炉主要任务是将3 4 0 0 0 n m 3 h 循环瓦斯由 加热到7 2 0 ，为干馏炉提供热载体。循环瓦斯加热炉是油页岩全 环干馏新工艺大型关键设备，为使这一设备能够研发成功并进入工业 ，主要研究以下内容： ( 1 ) 高温度，大流量的循环瓦斯加热问题。循环瓦斯加热炉加热循环 斯量大，温度高，并且要保证连续、均衡、稳定。目前要将近4 万立 米d , 时的瓦斯采用传统的管式炉方式加热至7 2 0 几乎不可能，或需 出成倍增加传热面积的高昂的设备投资代价。新工艺采用两级加热系 ，尤其第二级加热系统采用了先进的蓄热式燃烧技术，以增加传热温 的方法攻克这一难题。 ( 2 ) 安全性问题。循环瓦斯加热炉被加热介质为瓦斯，并升温至燃点 以上，设备安全运行要求极高。新系统将换热器的结构方面进行攻关， 拟采取有效措施在严格保证设备密闭性同时采用多点安全防爆和建立有 效的电子监测系统。 ( 3 ) 低热值半焦燃烧利用问题。半焦是油页岩干馏后的副产品，其产 量几乎等同与页岩的开采量。新型加热炉将其作为炉子热源的一部分， 东北大学硕士论文 第一章绪论 既节约了燃料瓦斯气的用量，又解决了半焦处理上的诸多难点。但对热 值不足1 0 0 0 k c a l k g 的半焦用常规方法极难实现完全燃烧。对这一难关问 题，通过深入研究半焦成分和燃烧特性，通过分析实验找出其燃烧条件， 拟开发半焦与瓦斯混烧系统解决低热值半焦难烧尽的难点问题。 ( 4 ) 加热炉系统零排放问题。按系统节能理论，研究新型加热炉系统 几乎实现“零 排放。研究第一级加热系统与第二级加热系统的烟气合 理配比，以实现加热炉余热烟气全部用于油页岩干燥系统，余热回收利 用接近极限。 东北大学硕士论文 第二章新工艺流程简介 第二章新工艺流程简介 2 1 油页岩全循环干馏工艺流程 油页岩全循环干馏新工艺是一种利用高温瓦斯作为热载体在瓦斯全 循环状态下对油页岩进行分级干馏的工艺。具体工艺流程图见图2 1 。从 整个干馏系统角度讲，该工艺具有以下优点： ( 1 ) 资源利用率高；新工艺系统可以利用各种不同规格的油页岩，资 源利用率l0 0 。油页岩破碎后分级筛分，分级干馏，避免了不同颗粒大 小的页岩同时进一个干馏炉，所需干馏时间不一致，受热不均匀的缺陷。 ( 2 ) 油收率高；干馏炉内无内燃装置，干馏所需热量全部由热循环瓦 斯供给，避免了在干馏炉中燃烧油气和固定碳的缺陷，提高了半焦的热 值，提高了油的回收率，油回收率高达9 0 以上。 ( 3 ) 节能；由于采用了瓦斯全循环工艺，整个干馏炼油所需热量完全 来自油页岩本身。并且干燥炉利用循环瓦斯加热炉排出的烟气作为热源， 将油页岩从环境温度预热到5 0 以上再进入干馏炉，去除了矿石中的部 分含水，降低了干馏炉的热量需求，节省能源，保证了全系统的能耗最 小化。 ( 4 ) 环保；新工艺采用了瓦斯全循环，烟气回收利用、布袋除尘技术， 无废水排放，无污染物逸出，残渣合理回收利用，保证了向环境排放最 小化。 新工艺的关键是向干馏炉连续、稳定、均衡的供给7 0 0 的热循环 瓦斯，干馏所需热量全部由热循环瓦斯供给，使不同粒度的油页岩在不 同的干馏炉中得到充分干馏，因此循环瓦斯加热炉的地位尤为重要，是 油页岩全循环干馏新工艺的关键设备。 。一对i一一。钿od堇盆龇c一二o匣一n咖一 匝醛煺搁h曩蝼弧憾黑忑匝 七疆堪壤树h帮懈蟾 耐求书餐扑娟 东北大学硕士论文第二章新工艺流程简介 2 2 加热炉工艺简析 2 2 1 用途 ( 1 ) 加热循环瓦斯为干馏炉提供连续、均衡、稳定的热载体； ( 2 ) 加热炉烟气用于油页岩干燥系统干燥油页岩； ( 3 ) 加热炉烟气作为废热锅炉热源，为干馏系统提供蒸汽。 2 2 2 主要工艺参数 2 2 2 1 加热循环瓦斯参数 加热炉入口冷循环瓦斯温度：6 8 加热炉出口热循环瓦斯温度：7 2 0 所需加热循环瓦斯量：3 4 0 0 0n m 3 h 循环瓦斯干成分 表2 1 循环瓦斯干成分( 体积百分比，) 组 h 2c 0 2 c o c h 4c 2 h 6c 3 h sc 3 h 6c 4 h 1 0c 4 h g c s h l 2 分 平 均 2 6 3 71 8 3 09 7 21 9 1 11 1 6 05 3 04 4 31 7 92 3 01 0 5 值 另含有h 2 s 含量约为2 0m g m 3 。 2 2 2 2 燃料参数 燃烧瓦斯 燃烧瓦斯干成分同循环瓦斯干成分；温度：3 8 页岩半焦 表2 2 半焦干成分( 质量百分比，) 组分 chonsa 东北大学硕士论文 第二章新工艺流程简介 平均值1 1 7 41 6 41 0 7 70 8 0 1 1 77 3 8 8 半焦堆比重：9 5 2k g m 3 2 2 3 加热炉方案分析 加热炉的主要任务是为干馏炉提供连续、均衡、稳定的7 0 0 c 热循 环瓦斯。考虑到在热循环瓦斯由加热炉向干馏炉管道输送过程中有一定 的温降，因此加热炉需将循环瓦斯加热到7 2 0 。c 。结合加热炉在整个干 馏工艺中的用途，循环瓦斯加热炉设置两级加热系统换热式瓦斯加 热系统和蓄热式瓦斯加热系统，采用两级管式金属换热器将瓦斯加热到 工艺要求，理由如下： ( 1 ) 考虑到供给干馏炉的热循环瓦斯需连续、均衡、稳定的要求，加 热炉采用管式金属换热器。管式换热器属于间壁式换热器，其特点是烟 气与预热气体之间用中间壁隔开，相互之间不发生混合，其传热过程属 于稳态传热工况；金属换热器具有导热性好，传热效率高，在同样换热 量条件下所需体积小，气密性好。随着耐热钢的大量出现，成为预热高 温不可泄露气体的趋势。因此，只要合理控制管外烟气侧的热强度，热 循环瓦斯达到连续、均衡、稳定的要求不难实现。 ( 2 ) 若只采用单纯的一级换热器，要将近4 万立方米小时的瓦斯加热 至7 2 0 c 几乎不可能，或需付出成倍增加传热面积的高昂的设备投资代 价。加热炉设置两级加热系统，第一级采用传统的管式换热器，将循环 瓦斯从6 8 加热到5 0 0 。c ，这是已经很成熟的技术，换热管选用一般材 质即可，难度不大。较为困难的是循环瓦斯5 0 0 7 2 0 。c 的温升，把困难 拿到第二级瓦斯加热系统来处理。由于瓦斯加热工艺温度7 2 0 较高， 必须有一定的传热温压做基础，第二级瓦斯加热系统采用蓄热式燃烧方 法，换热管材质全部选用耐热钢，炉子热效率高，且炉内温度场均匀， 处于高温换热状态，辐射强度大大提高，有利于增加瓦斯换热强度，提 高综合换热系数。详见第四章换热器热工过程分析。 ( 3 ) 纵观整个油页岩全循环干馏工艺系统，能够作为加热炉燃料的只 东北大学硕士论文第二章新：r - c 流程简介 有瓦斯、半焦、油页岩和页岩油。燃烧油页岩和页岩油，显然不经济， 不符合油页岩工业的长远利益，因此加热炉只能燃烧瓦斯和半焦。油页 岩干馏时能产出一部分瓦斯，这些瓦斯燃烧产生的热量不能满足将近4 万立方米小时的瓦斯加热至7 2 0 。c 时所需热量，从热平衡角度讲，必须 燃烧半焦作为补充热源。并且国内外大多数干馏工艺系统均不能利用低 热值半焦，大都废弃，处理困难，有些利用半焦做烧结砖的，但由于矿 区交通条件，合理运输半径的制约，不能全部处理，大批量的半焦堆积， 不仅侵占农田，而且造成污染。相比其它干馏工艺，油页岩全循环干馏 新工艺产生的半焦热值相对较高，经论证，可以作为燃料燃烧，详见第 三章。因此燃烧半焦成为加热炉的必然选择。为了燃烧半焦，必须采用 两级加热形式。 ( 4 ) 加热炉烟气需作为下游废热锅炉和干燥炉的热源，为干馏系统提 供蒸汽和用于油页岩的干燥。因此综合工艺及经济性考虑，加热炉设置 两级加热系统。第一级瓦斯加热系统的排烟作为下游设备的主热源，由 于第二级瓦斯加热系统采用蓄热式，排烟温度较低，可作为辅助热源。 2 3 加热炉工艺流程简介 循环瓦斯加热炉采用两级加热系统。第一级为换热式瓦斯加热系统， 该系统以上游油页岩干馏后的副产品低热值页岩半焦和瓦斯作为燃 料热源，采用瓦斯一一半焦混烧的方法将循环瓦斯从6 8 加热到5 0 0 ； 第二级为蓄热式瓦斯加热系统，该系统采用蓄热式燃烧方法将循环瓦斯 从5 0 0 加热到7 2 0 。 东北大学硕士论文第二章新工艺流程简介 蓄魏式瓦豢加热蓐统 图2 2 加热炉工艺流程图 f i g 2 2p r o c e s so ff u r n a c e 换热式瓦斯加热系统由瓦斯半焦混烧加热炉和第一级瓦斯换热 器组成。在此系统中，页岩半焦、瓦斯混合燃烧。页岩半焦由皮带输送 机送入焦斗，后由焦斗落到炉排上，然后跟随炉排一起由前向后运动。 助燃空气则由下向上穿过半焦层。半焦的着火热源来自于炉内的热烟气 和炉墙的热辐射。半焦表面首先被加热燃烧，然后将热量向下传递直至 炉排上的半焦全部燃尽，燃烧产物烟气则向上运动。半焦在炉排中后部 燃尽变成灰渣由除渣机排出，然后送到砖厂再利用。 由于单独燃烧半焦所放出的热量不足以满足第一级瓦斯换热器加热 东北大学硕士论文 第二章新工艺流程简介 循环瓦斯的要求，因此安装低压涡流烧嘴在炉内同时燃烧瓦斯，燃烧产 物所携带的热量满足工艺要求。混合燃烧产生的1 0 0 0 * ( 2 高温烟气进入4 行程管状换热器，把来自储柜的6 8 瓦斯加热到5 0 0 。c 。经换热后排出 的5 9 0 * ( 2 的烟气进入废热锅炉，将4 t h 冷水加热成蒸汽，然后排到干燥 系统用于干燥油页岩。具体工艺如下图所示： 图2 3 换热式瓦斯加热系统 f i g 2 3h e a te x c h a n g et y p eo fg a sh e a t i n gs y s t e m 东北大学硕士论文第二章新工艺流程简介 图2 4 第一级瓦斯换热器 f i g 2 4f i r s t c l a s sg a sh e a te x c h a n g e r 第一级瓦斯换热器工艺参数如下： 表2 3 第一级瓦斯换热器工艺参数 池茁三捧管) 换热器种类 金属换热器 布置形式卧式 换热管排列方式顺排 光管c r 2 5 n i 2 0 s i 2 第一行程 ( 渗铝) 换热管形式及材料 光管3 0 1 不锈钢管 第二行程 ( 渗铝) 第三、四行程光管碳钢管( 渗铝) 换热管( 排数x 排数x 程数) 2 3 2 0 4 换热管直径壁厚( m m ) 7 6 4 5 换热管有效长度( m m ) 2 6 0 0 1 孓 东北大学硕士论文 第二章新工艺流程简介 管心距管心距( m r l l ) 13 0 l2 0 单管传热面积( m 2 ) o 5 8 4 换热管总传热面积( m 2 ) 10 7 5 蓄热式瓦斯加热系统将第二级瓦斯换热器置于蓄热式加热炉内，燃 烧瓦斯产生的10 5 0 c 高温烟气把来自第一级瓦斯换热器的5 0 0 。c 瓦斯气 加热到7 2 0 ，然后分别供给6 台干馏炉。蓄热式瓦斯加热系统不同于 传统的多行程换热器，它将换热管置于蓄热式加热炉内，炉内温度场均 匀，换热器的每个行程都是由换向的高温烟气加热循环瓦斯，高温压传 热得以实现。具体工艺如下图所示： 蓄热室 7 2 0 0 c 热循环瓦斯 来自换热式瓦斯加热系统的 5 0 0 0 c 循环瓦斯 图2 5 蓄热式瓦斯加热系统 f i g 2 5r e g e n e r a t i v et y p eo fg a sh e a ts y s t e m 东北大学硕士论文第二章新工艺流程简介 7 2 0 0 c c 循环瓦新 图2 6 第二级瓦斯换热器 f i g 2 6s e c o n d - c l a s sg a sh e a te x c h a n g e r 第二级瓦斯换热器工艺参数如下： 表2 4 第二级瓦斯换热器工艺参数 换热器种类金属换热器 布置形式卧式 换热管排列方式叉排 换热管形式及材料光管c r 2 5 n i 2 0 s i 2 ( 渗铝) 换热管( 排数排数程数) 2 9 1 2 4 换热管直径壁厚( m m )7 6 5 换热管有效长度( m m ) 2 6 0 0 管心距管心距( m m ) 12 0 1 0 4 单管传热面积( m 2 ) 0 5 8 1 孓 东北大学硕士论文第二章新工艺流程简介 换热管总传热面积( m 2 ) l 8 0 7 来自换热式瓦斯加热系统的烟气经废热锅炉后，与来自蓄热式瓦斯 加热系统的汇合，通过除尘系统，经引风机排入到干燥系统。干燥系统 利用加热炉排出的烟气作为热源干燥油页岩，然后通过引风机进入烟囱 后排空，具体工艺如下图所示： = j 来自换热式瓦崩 加热系统的龆气 回d 氐 图2 7 排烟工艺流程图 f i g 2 7p r o c e s so fs m o k ee m i s s i o n 一16 _ 东北大学硕士论文 第二章新工艺流程简介 图2 8 循环瓦斯加热炉三维效果图 f i g 2 8t h et h r e e - d i m e n s i o n a le f f e c tf i g u r eo fc i r c u l a t e dg a sh e a t i n gf u r n a c e 2 4 本章小节 本章介绍了加热炉的主要用途、加热物料及燃料的工艺参数、油页 岩提取页岩油的工艺流程，并结合加热炉的上下游设备，详细介绍了加 热炉的两级加热系统及排烟系统的工艺流程。 东北大学硕士论文第三章加热炉几个关键问题讨论 第三章加热炉几个关键问题讨论 3 1 半焦燃烧价值讨论 3 1 1 燃烧半焦必要性 页岩半焦是油页岩干馏后的副产品，其热值较低( 8 0 0 10 0 0 k c a l k g ) ， 且经干馏炉水封后含有较多水分( 约2 0 ) ，是一种高灰分、低挥发份、 难以燃烧的劣质燃料。尽管半焦燃烧较为困难，但笔者认为还是应当充 分利用半焦作为加热炉的燃料，理由如下： ( 1 ) 油页岩全循环干馏新工艺中能够供给加热炉作为燃料的只有瓦斯 和半焦，它们都是油页岩经干馏后的副产品。虽然瓦斯热值相对较高 ( 6 7 0 0k c a l k g 左右) ，但大部分需作为循环瓦斯供给于馏炉，只有小部 分瓦斯可供燃烧。从整个热平衡角度讲，单独燃烧瓦斯热量不足以满足 加热炉所需热量，因此必须燃烧半焦作为补充热源。 ( 2 ) 油页岩的工业开发利用概括起来主要有2 个方面，即炼油化工利 用和直接燃烧产汽发电。而炼油工业问题之一是页岩炼油后产生的半焦 处理问题。从油页岩干馏过程得到的半焦含有有机成分，然而到现在很 少得到利用，大多作为废弃物以所谓“半焦堆存处 来储存。油页岩半 焦产生量较大，污染环境，加热炉燃烧半焦，有利于解决环境污染问题。 因此，半焦的利用对油页岩工业来说，其重要性是显而易见的。页 岩半焦的利用符合国家油页岩“开矿、炼油、发电、建材 产业链综合 开发利用项目规划，有利于最终实现油页岩产业实现无固体废弃物排放 的目的。 3 1 2 半焦燃烧特性分析 从热工角度讲，半焦热值为8 0 0 1 0 0 0k c a l k g ，除去蒸发水分耗热、 化学不完全燃烧热损失、漏焦机械热损失、焦渣物理热损失，仍有5 0 以上的利用价值，页岩半焦能够作为加热炉燃料热源一部分。下面对半 东北大学硕士论文第三章加热炉几个关键问题讨论 焦的燃烧特性进行简单分析。 图3 1 不同升温速率下油页岩半焦的燃烧t g 曲线 f i g 3 1t gc u r v e so fs e m i c o k eo fo i ls h a l eu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r er i s i n gr a t e 乃4 图3 2 不同升温速率下油页岩半焦的燃烧d t g 曲线 f i g 3 2d t gc u r v e so fs e m i - c o k eo fo i ls h a l eu n d e rd if f e r e n tt e m p e r a t u r e r i s i n gr a t e 图3 3 着火温度与挥发份含量曲线 一1 9 o ，- 东北大学硕士论文 第三章加热炉几个关键问题讨论 f i g 3 3c u r v e so fi g n i t i o nv s v o l a t i l ec o n t e n t 图3 1 和图3 2 为桦甸市矿区干馏终温为5 0 0 时的油页岩半焦在4 种不同升温速率下的燃烧质量损失曲线( t g ) 和相对应的燃烧质量损失 微商曲线( d t g ) 。 从图3 1 可以看出，相同终温下，半焦颗粒燃尽度随升温速率的提 高而变差，这是因为： ( 1 ) 油页岩半焦灰含量高； ( 2 ) 升温速率低，颗粒燃烧时间长，有利于颗粒的燃尽； ( 3 ) 升温速率低，颗粒内外温度梯度小，有利于挥发份同时析出；当 挥发份析出后，环境中的氧气能够通过颗粒孔隙充分扩散到颗粒 内部，与被灰分包裹的碳发生燃烧反应，也对颗粒燃尽度有利。 ( 4 ) 升温速率高，半焦颗粒内外温度梯度大，沿径向向内各层温度依 次达到热解温度并析出挥发份，因此挥发份释放不均匀，会阻碍 环境中的氧气向颗粒内部扩散，不利于颗粒燃尽。 从图3 2d t g 曲线可以看出，随升温速率的提高，颗粒失重速度增 加。图3 1 、图3 2 和图3 3 共同表明，着火温度随半焦挥发份含量的降 低而明显提高，但升温速率对着火温度影响不大。 因此，为保证半焦通过炉膛时一次燃尽，建议适当减小投入炉膛的 半焦颗粒直径和延长颗粒在炉内的停留时间。减小半焦颗粒直径，实质 上增大颗粒比表面积和减小颗粒温度梯度，便于氧气向颗粒表面和内部 的扩散。 3 , 2 5 , 2 6 】 3 2 半焦燃烧方法讨论 寻找一种能够有效燃烧低热值半焦的方法是加热炉的关键问题之 一。经认真论证和研究，燃烧半焦有两个方法：一是采用流化床燃烧， 二是采用炉排燃烧。 虽然流化床适于燃烧低热值的燃料，但笔者认为不应当采用流化床 燃烧方法。因为循环瓦斯加热炉不是简单的锅炉，采用流化床燃烧会带 来如下问题： ( 1 ) 流化床要求的燃料粒径在o 8 r a m 范围内。1 4 1 采用流化床燃烧半 一2 0 - 东北大学硕士论文第三章加热炉几个关键问题讨论 焦，需加设半焦破碎装置，增加了工艺的繁琐性，并且增加投资。 ( 2 ) 流化床中的燃料处于悬浮状态，动力消耗大，用这种方法来燃烧 半焦，得不偿失。 ( 3 ) 流化床中悬浮的粉尘较多，易对第一级瓦斯换热器造成影响，需 频繁吹灰。 ( 4 ) 不安全。流化床易产生大量粉尘，粉尘不断对换热管束高速冲刷， 换热管磨损特别严重，瓦斯易泄露，影响了安全运行，停炉检修频繁， 维护费用增加，不能长期连续运行。 因此笔者认为采用炉排燃烧半焦较为适宜。炉排选用往复式炉排。 往复式炉排适宜燃烧低热值燃料。往复炉排如图所示： 图3 4 往复式炉排 f i g 3 4r e c i p r o c a t i n gg r a t e 在往复炉排上，活动炉排对燃烧层进行不断的耙动，这种炉排与半 焦层的相互运动，能使在燃烧层表面已着火燃烧的“红火 被翻到半焦 的下层，使之成为底层着火的火源。活动炉排片的这种耙拨作用，还可 改善燃烧层的透气性，有利于半焦的燃尽，也为加强燃烧创造了良好条 件。往复炉排着火条件较好，适应低热值半焦的燃烧条件。【5 】 另外，采用往复